Исследователи определили звуковые сигналы разрушения стеклопластика для раннего контроля конструкций
Когда вы едете по новому мосту, летите в самолете или видите ветряк на горизонте, вы, скорее всего, смотрите на стеклопластик — материал, который в 5 раз легче стали, не ржавеет и не боится химии. Однако серьезные повреждения в нем часто развиваются внутри и остаются невидимыми. Их можно услышать, но до сих пор остается малоизученным, как «звучит» каждое конкретное повреждение. Ученые Пермского Политеха системно изучили звуки, которые издает стеклопластик при разрушении. Они впервые в России разработали способ для имитирования нанесения внешних дефектов с регистрацией акустических сигналов. Теперь, анализируя их, можно точно диагностировать внутренние повреждения и предотвратить аварию.
Стеклопластик — это материал, который сегодня можно найти повсюду. Из него делают несущие балки и арматуру для мостов, лопасти ветряков, детали самолетов и поездов, а также трубы, которые не ржавеют. Он незаменим в корпусах лодок и деталях автомобилей, в спортивном инвентаре и в простых, но крепких вещах — от легких лестниц и дачной мебели до прочных ванн и душевых кабин.
Стеклопластик легче стали в пять раз, что позволяет самолетам экономить тонны топлива, а ветрякам — ловить даже слабый ветер. Он не ржавеет, не боится ни воды, ни солей, ни многих химикатов. И из него можно создавать детали сложной формы — например, цельнолитые корпуса яхт, обтекаемые крылья самолетов или футуристичные элементы городской архитектуры, которые невозможно сделать из традиционных материалов.
Секрет свойств кроется в продуманном строении материала. Это идеально сконструированный «сэндвич». Его основу составляют тончайшие нити стекловолокна, которые берут на себя нагрузку, как стальная арматура в бетоне. Они погружены в полимерную смолу, которая служит одновременно клеем, защитой и распределителем напряжения.
Однако у этого суперматериала есть недостаток. Его идеальное слоеное строение становится источником скрытой угрозы. При ударе — например, когда погрузчик в аэропорту слегка задевает обшивку самолета или на парковке автомобиль цепляет столбик бампером — на поверхности может остаться лишь небольшая вмятина или царапина. Но внутри, между слоями, запускается невидимый процесс: связь между волокнами и смолой нарушается, и они начинают отрываться друг от друга. Этот процесс называется расслоением. Конструкция снаружи выглядит абсолютно целой, но ее прочность тает: она может выдержать еще сто нагрузок, а может развалиться при следующей.
Выявить такие скрытые повреждения традиционными методами сложно. Простой визуальный осмотр в этом случае бесполезен. Более сложные и дорогие технологии — ультразвуковой контроль, рентген или тепловизоры — имеют свои недостатки. Они часто требуют точного знания места удара, сложны в применении на крупных объектах вроде лопастей ветряков или крыльев самолета и не всегда могут зафиксировать начало расслоения, особенно на ранних стадиях, когда его очень важно обнаружить. Из-за этого опасный дефект может оставаться невидимым вплоть до внезапного разрушения конструкции.
Провести раннюю диагностику можно с помощью акустической эмиссии. Ее ключевое отличие в том, что не ищется уже существующий дефект извне, а «слушается» сам материал. В момент, когда внутри композита происходит микросдвиг — зарождается трещина или продвигается расслоение — излучается высокочастотный звуковой импульс. Задача — уловить и расшифровать этот сигнал. Акустическая эмиссия не требует полного разрушения материала, датчики крепятся на поверхность контролируемого объекта, что позволяет оценивать состояние конструкции во время эксплуатации. Этот метод не требует громоздкого оборудования и специальных условий.
До сих пор оставалось малоизученным, какой именно звук соответствует каждому конкретному типу разрушения стеклопластика. Не было четких данных, позволяющих по акустическому сигналу отличить безобидный дефект от того, что ведет к катастрофе.
Ученые ПНИПУ изучили и установили четкое соответствие между типом повреждения в стеклопластике и конкретным звуковым сигналом, чтобы в дальнейшем эти данные использовать для идентификации разрушения во время эксплуатации. Статья опубликована в научном журнале «Проблемы прочности и пластичности».
— Мы взяли образцы и начали их системно повреждать, моделируя самые распространенные типы дефектов. С помощью специального оборудования наносили вмятины разной силы и царапины стальным лезвием. В сам момент воздействия и после него сверхчувствительные датчики фиксировали каждый звук, щелчок и треск, который возникал внутри, — отметил Дмитрий Лобанов, старший научный сотрудник Центра экспериментальной механики ПНИПУ, кандидат технических наук.
Это позволило сравнить, как «звучат» поверхностные повреждения и глубокие внутренние разрушения. Затем эти же, уже поврежденные образцы, специалисты растягивали на испытательной машине, доводя их до полного разрыва, и снова записывали весь спектр звуков.
— Мы установили четкие соответствия: глухой треск в диапазоне 50–120 кГц означает, что в смоле появилась микротрещина. В таком случае у нас есть время — мы можем занести этот участок в список наблюдения и контролировать его в ходе плановых проверок, не останавливая эксплуатацию конструкции. Отчетливый щелчок на 180–350 кГц — это уже сигнал о начале опасного расслоения. Он значит, что повреждение перешло в активную фазу, и необходимо срочно планировать ремонт, чтобы остановить разрушение. Наконец, резкий высокочастотный сигнал на 400–600 кГц — это финальный сигнал, означающий разрыв несущих волокон. Для нас это равнозначно экстренной ситуации: элемент исчерпал ресурс, и дальнейшая его эксплуатация недопустима, — объясняет Екатерина Чеботарева, младший научный сотрудник Центра экспериментальной механики ПНИПУ.
Эти данные необходимы для создания интеллектуальных датчиков и систем. Критически важные объекты — от опор мостов и лопастей ветрогенераторов до силовых элементов летательных аппаратов — можно будет оснастить автономными сетями таких акустических датчиков. Эти системы, постоянно «слушая» материал в реальном времени, позволят не просто обнаружить дефект, а рассчитать остаточный ресурс поврежденной детали, точно ответить на вопрос: сколько циклов нагрузки или времени безопасной работы осталось, и автоматически сформировать предупреждение для служб эксплуатации.
Telegram 
Дзен 
VK Хотя сам факт наличия непонятных объектов на снимках, которые американские астронавты сделали на Луне, известен давно, десятилетиями их списывали на химические дефекты светочувствительной эмульсии фотопленки или блики света в линзах камер. Новая публикация на сайте Пентагона признает их реально существующими объектами, хотя и не делает выводов о их природе.
Крупные травоядные утконосые майазавры известны своим развитым социальным поведением. Они жили семьями и строили гнезда для своих детенышей. Даже название вида переводится с греческого языка как «ящер — хорошая мать». Исследование окаменелых зубов майазавров показало, что они выращивали детенышей совсем не так, как это считалось типичным для животных глубокой древности.
Десятого мая 1940 года вермахт пришел в движение. Через 42 суток англо-французские армии были разгромлены, а Франция капитулировала. Как это произошло, ведь союзники имели больше солдат, танков и пушек, чем немцы? В СССР причиной посчитали нежелание французов воевать, немцы же, говорили советские военные, не внесли в стратегию ничего нового. Реальность была строго обратной: разгром Франции был новым словом в войне, и такой же сценарий Гитлер применил против СССР через год. Что именно произошло и отчего советское руководство не смогло осознать случившееся?
Нейробиологи СПбГУ продемонстрировали, что активация рецептора следовых аминов TAAR1 эффективно подавляет агрессивное поведение, вызванное полным отсутствием серотонина в мозге. В дальнейшем этот результат поможет в разработке лекарственных препаратов, направленных на коррекцию патологических форм агрессии, возникающих при посттравматическом стрессовом расстройстве (ПТСР) и шизофрении.
Крупные травоядные утконосые майазавры известны своим развитым социальным поведением. Они жили семьями и строили гнезда для своих детенышей. Даже название вида переводится с греческого языка как «ящер — хорошая мать». Исследование окаменелых зубов майазавров показало, что они выращивали детенышей совсем не так, как это считалось типичным для животных глубокой древности.
Астрономы впервые использовали гравитационные волны, чтобы косвенно оценить параметры одного из ключевых процессов термоядерного горения в массивных светилах. Именно от него зависит, какие звезды взрываются, какие превращаются в черные дыры и как во Вселенной появляются углерод и кислород — элементы, без которых не было бы ни планет, ни жизни.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Химические связи в материале, из которого сделана электроника, разрываются не из-за накопительного износа от протекания тока через них, а из-за электронов с конкретной энергией.
Термоядерные электростанции не смогут конкурировать по цене с возобновляемыми источниками энергии из-за медленного удешевления технологии. По расчетам, расходы на каждую новую установку падали максимум на 8% — много раз ниже ранних ожиданий венчурных инвесторов. Это перечеркивает экономический смысл финансовых вливаний, и мир может никогда не увидеть дешевой термоядерной энергии.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно